(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

1

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐỖ QUỐC VƯƠNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ
ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Thái Nguyên - Năm 2019


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐỖ QUỐC VƯƠNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ
ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. NGUYỄN THỊ MAI HƯƠNG

Thái Nguyên – Năm 2019


i
LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Đỗ Quốc Vương
Sinh ngày 09 tháng 03 năm 1979
Học viên lớp cao học khoá 20 chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động
hóa - Trường đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại: Trung tâm kiểm định chất lượng công trình xây dựng
Cao Bằng - Sở xây dựng Cao Bằng.
Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển
tốc độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu” do cô giáo TS. Nguyễn Thị
Mai Hương hướng dẫn là nghiên cứu của tôi với tất cả các tài liệu tham
khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.
Thái Nguyên, ngày…….tháng ….. năm 2019
Học viên

Đỗ Quốc Vương


ii
LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương và được sự hướng dẫn
tận tình giúp đỡ của cô giáo TS. Nguyễn Thị Mai Hương, luận văn với đề tài
“Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ nam
châm vĩnh cửu” đã được hoàn thành.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới:
Cô giáo hướng dẫn TS. Nguyễn Thị Mai Hương đã tận tình chỉ dẫn,

giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn. Các thầy cô giáo Trường Đại học kỹ
thuật công nghiệp Thái Nguyên, và một số đồng nghiệp, đã quan tâm động
viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập để hoàn thành luận văn này.
Mặc dù đã cố gắng hết sức, tuy nhiên do điều kiện thời gian và kinh
nghiệm thực tế của bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu
sót. Vì vậy, tác giả mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô
giáo và các bạn bè đồng nghiệp cho luận văn của tôi được hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày……tháng……năm 2019
Tác giả luận văn

Đỗ Quốc Vương


iii
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
Chương 1: TỔNG QUAN ............................................................................... 3
1.1 Giới thiệu về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ............................... 3
1.1.1.Các loại PMSM ................................................................................ 4
1.1.2 Động cơ đồng bộ IPM ...................................................................... 9
1.1.3 Một số phương pháp điều khiển PMSM ........................................ 11
1.2 Phương pháp điều khiển vector PMSM ................................................ 13
1.2.1 Công thức chuyển đổi Clarke......................................................... 13
1.2.2 Công thức chuyển đổi Park ............................................................ 15
1.3 Phân tích hoạt động của PMSM ............................................................ 16
1.3.1 Mô hình toán học của PMSM ........................................................ 16
1.3.2 Giới hạn dòng điện và điện áp ....................................................... 17
1.3.3 Các đặc tính của PMSM................................................................. 19
1.3.4 Đặc tính công suất - tốc độ............................................................. 21

1.4 Kết luận chương 1 ................................................................................. 24
Chương 2: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU 26
2.1 Cấu hình điều khiển cho PMSM ........................................................... 26
2.2 Điều chế độ rộng xung cho bộ nghịch lưu ba pha. ............................... 27
2.2.1 Mô hình hóa mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha. ........................... 27
2.2.2 Phương pháp điều chế vector không gian. ..................................... 28
2.3 Thiết kế các bộ điều khiển dòng điện và tốc độ.................................... 33
2.3.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện bằng kỹ thuật hàm chuẩn bậc hai33
2.3.2 Thiết kế mạch vòng tốc độ theo phương pháp tối ưu đối xứng ..... 38
2.3.3 Mô phỏng và kết quả ...................................................................... 39
2.4 Kết luận chương 2 ................................................................................. 42
Chương 3: THIẾT KẾ MẠCH NGUYÊN LÝ ........................................... 44
3.1 Mạch công suất ..................................................................................... 44


iv

3.1.1 Module FSBF10CH60B ................................................................. 44
3.1.2 Mạch lái .......................................................................................... 47
3.1.3 Mạch bảo vệ quá dòng ................................................................... 48
3.1.4 Mạch phản hồi điện áp một chiều DC link và các điện áp pha ..... 49
3.1.5 Mạch bảo vệ thấp điện áp .............................................................. 50
3.1.6 Mạch điện trở hãm ......................................................................... 51
3.1.7 Mạch nguồn nuôi............................................................................ 52
3.1.8 Công suất động cơ .......................................................................... 53
3.1.9 Tính toán các tổn hao ..................................................................... 53
3.2 Mạch điều khiển .................................................................................... 56
Chương 4: THIẾT KẾ MẠCH IN VÀ PHẦN MỀM ................................ 58
4.1 Mô tả hệ thống phần cứng ..................................................................... 58
4.2 Phần mềm .............................................................................................. 60

4.2.1 Thư viện Firmware ngôn ngữ C viết cho STM32F103ZET6 ........ 60
4.2.2 Tổ chức quản lý và nội dung các file thuộc các lớp dùng chung... 60
4.2.3 Tổ chức và nội dung các file nguồn lớp dẫn xuất (derived classes)68
4.2.4 Thư viện điều khiển động cơ liên quan đến xử lý ngắt.................. 76
4.2.5 Danh mục các lớp thư viện Firmware FOC ................................... 77
4.3. Kết luận chung: .................................................................................... 78
4.4. Kiến nghị: ............................................................................................. 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 79


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay động cơ đồng bộ được sử dụng nhiều trong lĩnh vực điều khiển
và trong công nghiệp vì nó có những đặc điểm vượt trội như hiệu suất , cos
cao, tốc độ ít phụ thuộc vào điện áp. Tuy nhiên việc điều khiển động cơ đồng
bộ còn phức tạp do tính phi tuyến mạnh, do vậy làm cho việc ứng dụng động
cơ đồng bộ vào thực tế khó khăn.
2. Đối tượng nghiên cứu
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
3. Phạm vi nghiên cứu
- Mô hình hóa và mô phỏng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
- Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
- Nghiên cứu các phương pháp điều khiển nâng cao cho mạch vòng dòng điện.
- Thiết kế phần cứng và phần mềm nhúng để điều khiển tốc độ động cơ
đồng bộ nam châm vĩnh cửu theo phương pháp tựa theo từ thông rotor.
4. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
- Tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện thuật toán điều khiển cho động
cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.

- Kiểm nghiệm thuật toán điều khiển thông qua mô phỏng và thực
nghiệm.
- Tạo cơ sở khoa học để nghiên cứu cho các thuật toán điều khiển
nâng cao hơn.
5. Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng các kiến thức cơ bản, cơ sở để xây dựng mô hình toán và
thuật toán điều khiển hệ thống.
- Nghiên cứu lý thuyết để xây dựng thuật toán;
- Tiến hành mô phỏng trên mô hình hệ thống. Đánh giá, so sánh các
kết quả lý thuyết, kết quả mô phỏng và thực nghiệm.

1


2
6. Kết cấu của luận văn:
CHƯƠNNG 1: TỔNG QUAN
1.1.

Giới thiệu về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

1.1.1 Các loại PMSM
1.1.2 Động cơ đồng bộ IPM
1.1.3 Một số phương pháp điều khiển PMSM
1.2.

Phương pháp điều khiển vector PMSM

1.2.1 Công thức chuyển đổi Clarke
1.2.2 Công thức chuyển đổi Park

1.3. Phân tích hoạt động của PMSM
1.3.1. Mô hình toán học của PMSM
1.3.2. Giới hạn dòng điện và điện áp
1.3.3. Các đặc tính của PMSM
1.3.4 Đặc tính công suất – tốc độ
1.4. Kết luận chương 1
CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH
CỬU
2.1. Cấu hình điều khiển cho PMSM
2.2. Điều chế độ rộng xung cho bộ nghịch lưu ba pha
2.2.1 Mô hình hóa mạch nghich lưu nguồn áp 3 pha
2.2.2 Phương pháp điều chế vector không gian
2.3. Thiết kế các bộ điều khiển dòng điện và tốc độ
2.3.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện bằng kỹ thuật hàm chuẩn bậc hai
2.3.2 Thiết kế mạch vòng tốc độ theo phương pháp tối ưu đối xứng
2.3.3 Mô phỏng và kết quả
2.4. Kết luận chương 2
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ TOÀN BỘ HỆ THỐNG
3.1. Thiết kế mạch lực


3
3.2. Thiết kế mạch điều khiển
3.3. Xây dựng phần mềm nhúng
CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG VÀ CHẠY THỰC NGHIỆM TRÊN THIẾT BỊ
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Chương 1: TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Đối với động cơ xoay chiều kích thích bằng nam châm vĩnh cửu, thì nam

châm vĩnh cửu thay thế cho cuộn dây kích từ và vành trượt cổ góp dẫn điện
như đối với động cơ đồng bộ kích từ bằng cuộn dây (Wound Field
Synchronous Machine – WFSM), và động cơ xoay chiều nam châm vĩnh cửu
cũng không có cấu tạo lồng sóc như ở rotor của động cơ không đồng bộ
(Induction Motor – IM). Nhờ đặc điểm đó, các PMSM có một số ưu điểm nổi
bật so với các loại động cơ khác.
Do không có các cuộn dây kích từ bên trong rotor, nên các động cơ xoay
chiều nam châm vĩnh cửu có khối lượng nhỏ và mômen quán tính thấp, điều
này giúp cho động cơ đáp ứng mômen nhanh hơn. Thêm vào đó, cường độ từ
trường của động cơ này vẫn lớn trong khi thể tích của động cơ có thể giảm


4
xuống. Hơn nữa, vì không cần năng lượng để từ hóa động cơ và không có tổn
thất đồng ở rotor, nên PMSM có hiệu suất cao hơn IM và WFSM. Điều này
cũng giúp giảm chi phí và kích thước biến tần dùng cho PMSM. Nhờ không
có tổn thất đồng ở rotor, nên rotor PMSM hầu như không tự sinh nhiệt mà
còn nhận nhiệt từ phía stator, giúp quá trình tản nhiệt trong động cơ tốt hơn.
Đặc biệt, một số PMSM có lợi thế vượt trội là được thêm mômen từ trở trong
dải điều khiển giảm từ thông, vì vậy, chúng có thể được thiết kế để có một dải
công suất không đổi rộng. Các kết quả trên dẫn đến PMSM có mật độ công
suất cao hơn bất kỳ loại động cơ nào khác. Nói cách khác, với cùng một công
suất yêu cầu thì PMSM cần một không gian hiệu dụng nhỏ so với các loại
động cơ khác.
Về nguyên lý hoạt động, khi nối nguồn ba pha vào các cuộn dây stator
của PMSM, dòng điện chạy trong hệ thống ba cuộn dây quấn stator sẽ sinh ra
một từ trường quay với tốc độ:
(1.1)
với fe là tần số dòng điện stator, Pn là số đôi cực của động cơ đồng bộ.
Từ trường này sẽ tương tác với từ trường rotor tạo ra mômen kéo rotor quay

với tốc độ đúng bằng tốc độ của từ trường quay. Như vậy, từ trường trong
động cơ gồm hai thành phần là từ trường rotor và từ trường stator. Từ trường
stator là do dòng điện stator tạo thành, còn từ trường rotor là do nam châm
vĩnh cửu gắn trên rotor tạo thành.
1.1.1. Các loại PMSM


5
Dựa vào đặc điểm và cấu tạo của rotor, các động cơ đồng bộ
(Synchronous Motor – SM) có thể được phân loại như Hình 1.1.
Động cơ đồng bộ
(Synchronous Motor )

Động cơ đồng bộ
kích từ bằng cuộn dây

Động cơ đồng bộ
nam châm vĩnh cửu
(PM Motor)

Sức phản điện động
hình sin
(PMAC hay PMSM)

Động cơ từ trở
(Reluctance Motor)

Sức phản điện động
hình thang
(BLDC Motor)

Động cơ đồng bộ nam
Động cơ đồng bộ nam
châm vĩnh cửu bề mặt
châm vĩnh cửu chìm
(SPMSM)
(IPMSM)
Hình 1.1: Các loại động cơ đồng bộ xoay chiều ba pha.

Trong Hình 1.1, động cơ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet Motor
– PM Motor) được phân thành hai loại theo dạng sóng sức phản điện động.
Một loại có đặc điểm là sức phản điện động hình sin được gọi là PMAC hay
PMSM (Permanent Magnet Alternating

Current, Permanent Magnet

Synchronous Motor), và một loại khác là động cơ một chiều không chổi than
(Brushless DC motor – BLDC motor). Dạng sóng sức phản điện động có hình
dạng phụ thuộc vào nam châm, sự sắp xếp các rãnh và kiểu quấn dây.
Động cơ BLDC có đặc điểm là mômen bị nhấp nhô với tần số nhấp nhô
gấp 6 lần tần số chuyển mạch. Điều này là khác biệt hoàn toàn với các loại
động cơ thông thường khác với mômen là một đường thẳng. Do mômen nhấp
nhô nên tốc độ của động cơ BLDC không ổn định và có tiếng ồn khi làm việc,
đặc biệt là ở vùng tốc độ thấp.


6
Hình 1.2 (bvm 8a-e) thể hiện các mặt cắt của các PMSM hai cặp cực có
sin với nam châm vĩnh cửu bề mặt hoặc là nam châm vĩnh cửu chìm. Sự khác
nhau là do vị trí của các nam châm vĩnh cửu (được bôi đen trong Hình 1.2).

Nếu các nam châm vĩnh cửu được gắn trên bề mặt của rotor như Hình 1.2 (ab), thì nó được gọi là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu bề mặt (Surface
mounted PMSM-SPMSM). Nếu các nam châm mà được đặt chìm trong lõi
rotor như Hình 1.2 (c),(d), thì chúng được gọi là động cơ đồng bộ nam châm
vĩnh cửu chìm (Interior PMSM-IPMSM). Trong Hình 1.2 (b), các nam châm
vĩnh cửu được đặt vào rãnh của bề mặt rotor, được gọi là động cơ nam châm
ghép bề mặt (inset magnet motor). Đối với động cơ nam châm ghép bề mặt,
mặc dù nam châm ở trên bề mặt, nhưng từ trở có đặc điểm gần giống với
IPMSM, đặc biệt là điện cảm trục q lớn hơn so với điện cảm trục d. Với bố trí
từ thông tập trung như Hình 1.2 (d) thì mật độ từ thông khe hở không khí có thể
được tăng lên lớn hơn so với ở bề mặt của nam châm vĩnh cửu.
So sánh giữa PMSM và động cơ BLDC chỉ ra rằng PMSM có thể điều
chỉnh tốc độ và vị trí chính xác hơn so với động cơ BLDC. Hơn nữa, PMSM
không tạo ra mômen nhấp nhô giống như động cơ BLDC. Nhưng giá trị sử
dụng của các động cơ BLDC là ở điểm điều khiển đơn giản và giá thành cạnh
tranh. Động cơ BLDC thường có giá thành thấp và công suất nhỏ (nhỏ hơn
5kW), và được ứng dụng trong máy quạt gió, dụng cụ cầm tay, các ứng dụng
gia dụng… So sánh giữa BLDC và PMSM được liệt kê trong Bảng 1.1.


7

: Nam châm vĩnh cửu

: Thép rotor

: Không có nam châm vĩnh cửu

Hình 1.2: Mặt cắt một số dạng rotor tiêu biểu của động cơ đồng bộ: (a) nam

8
châm lồi bề mặt; (b) nam châm ghép bề mặt; (c) nam châm chìm; (d) nam
châm chìm (từ thông tập trung); và (e) nam châm chìm nhiều lớp dọc trục; (f)
rotor nhiều mảng của SynRM; (g) rotor nhiều lớp dọc trục của SynRM.
Bảng 1.1: So sánh giữa động cơ BLDC với PMSM.
Động cơ BLDC

PMSM

Sức phản điện động

Sóng hình thang

Sóng sin

Dòng điện pha

Sóng

Sóng sin

Mômen nhấp nhô

vuông Cao

Thấp

Cảm biến vị trí

Cảm biến Hall (giá

Resolver (giá thành

thành rẻ)

đắt)

Tập trung (tốn ít

Phân tán (tốn nhiều

đồng)

đồng)

Sử dụng nam châm vĩnh cửu

Lớn

Tương đối nhỏ

Tổn thất do dòng điện xoay

Lớn

Tương đối nhỏ

Độ phức tạp trong điều khiển

Đơn giản

Phức tạp

Dải tốc độ

Hẹp

Rộng

Giá thành bộ nghịch lưu

Thấp

Cao

Kiểu quấn dây stator

trong nam châm

Đối với động cơ từ trở (Reluctance Motor) có thể được chia làm hai
loại: động cơ từ trở đồng bộ (Synchronous Reluctance Motor - SynRM) và
động cơ từ trở thay đổi (Switch Reluctance Motor, Variable Reluctance
Motor - SRM). Trong đó, các SynRM có số cực ở stator và rotor là bằng
nhau. Rotor SynRM được thiết kế để hướng từ thông qua rotor theo quỹ đạo
mong muốn, do đó các lỗ trống được tạo ra nhằm mục đích này như trên Hình
1.2 (f-g). Cũng nhờ vậy nên khi làm việc, rotor động cơ này mát hơn so với
các động cơ khác. Số cực điển hình của SynRM là 4 và 6. Còn các SRM cũng
có thể được xem là một dạng của động cơ bước với số cực ít. Các SRM khác

9
nhau về số lượng pha quấn trên stator và chúng là một con số nhất định dựa
vào sự tổ hợp phù hợp giữa số cực của stator và số cực rotor. Ví dụ như SRM
2 pha 4/2 (stator 4 cực, rotor 2 cực), và SRM 3 pha 6/4 (stator 6 cực, rotor 4
cực). Nhờ cấu tạo đặc biệt này, đối với SRM, ngoài điều khiển dòng điện,
điện áp còn có thể điều khiển góc quay của rotor. về nguyên lý hoạt động, khi
kích thích bằng liên tiếp các xung dòng điện ở mỗi pha của stator SRM, thì
rotor của động cơ có xu hướng đuổi theo hướng từ trở nhỏ nhất, từ đó tạo
chuyển động quay cho trục động cơ.
1.1.2 Động cơ đồng bộ IPM
Về cấu tạo, stator của động cơ IPM bao gồm các cuộn dây được bố trí
tương tự như ở các động cơ xoay chiều ba pha khác. Còn rotor của động cơ
có cấu tạo khá đặc biệt và đa dạng, bao gồm lõi thép và các tấm nam châm
vĩnh cửu đặt chìm trong lõi thép, tùy vào số đôi cực của động cơ mà có số cặp
nam châm tương ứng. Hình 1.2 (c-e) là những cách bố trí nam châm thường
thấy trong IPMSM.
Sự bố trí các cặp nam châm bên trong lõi thép và cấu tạo lõi thép khiến
cho từ thông của rotor chỉ hướng theo một trục nhất định, ta gọi trục đó là
trục sinh từ thông d, trục còn lại không sinh từ thông gọi là trục q, được mô tả
trên Hình 1.3. Với cách bộ trí nam châm như trên dẫn đến từ thông khe hở
không khí không đều. Do đó, điện cảm trên hai trục cũng khác nhau. Cụ thể
là điện cảm ngang trục Lq của IPMSM lớn hơn điện cảm dọc trục Ld (Lq >
Ld), và tỷ số ξ = Lq / Ld được gọi là hệ số nhấp nhô. Mức độ sai lệch giữa hai
thành phần điện cảm này lớn hay nhỏ tùy thuộc vào cấu tạo của động cơ. Nhờ
đặc điểm này đã dẫn đến một số ưu điểm trong điều khiển động cơ IPM.


10

Hình 1.3: Các đường sức từ của nam châm vĩnh cửu IPMS

Vật liệu làm nam châm cho động cơ là vật liệu có mật độ từ tính lớn, do đó,
kích thước của rotor không cần quá lớn mà vẫn đạt được từ thông mong
muốn, nhờ đó mà mật độ công suất của IPMSM thường rất cao. Giống với
động cơ SPM, khả năng sinh mômen của động cơ IPM nhờ vào sự tương tác
giữa dòng điện stator và từ thông của rotor, mômen này gọi là mômen điện từ
(Electromagnetic Torque). Tuy nhiên, do có Ld ≠ Lq nên IPMSM có thêm một
thành phần mômen từ trở (Reluctance Torque), điều này giúp cho động cơ
IPM có khả năng sinh mômen cao hơn. Hơn nữa, IPMSM còn có khả năng
giảm từ thông mạnh nên có thể điều chỉnh tốc độ trong một dải rộng.
Ưu nhược điểm:
•

Có khả năng sinh mômen cao, dải điều chỉnh tốc độ rộng;

•

Khối lượng nhẹ, kích thước nhỏ gọn, mật độ công suất lớn;

•

Giá thành còn rất đắt.

Để thấy rõ hơn những ưu điểm của IPMSM, ta tiến hành so sánh IPMSM
với SPMSM và kết quả được đưa ra trong Bảng 1.2.


11
Bảng 1.2: So sánh giữa SPMSM và IPMSM.
SPMSM

IPMSM

Vị trí nam châm

Bề mặt

Chìm

Định vị nam châm

Dán keo, dùng dải

Đặt chìm trong

băng

rotor

Lớn

Nhỏ

Sử dụng nam châm

Lớn

Tương đối nhỏ

Hệ số nhấp nhô

1

>1

Mômen từ trở

Không

Có

Mật độ công suất

Thấp

Cao

Dải tốc độ

Nhỏ

Lớn

Sóng hài từ trường của nam
châm

Với những ưu điểm nổi bật của IPMSM như trên, trong luận văn, tác giả
sẽ chọn động cơ đồng bộ IPM làm đối tượng nghiên cứu chính, sau đó sẽ mở
rộng bài toán với một số động cơ khác.
1.1.3 Một số phương pháp điều khiển PMSM
Để điều khiển PMSM, ta chỉ có thể sử dụng các phương pháp điều khiển

tần số, như điều khiển vô hướng U / f, điều khiển vector tựa từ thông rotor
(Field Oriented Control - FOC), điều khiển trực tiếp mômen (Direct Torque
Control - DTC).
Phương pháp điều khiển vô hướng U / f là phương pháp điều khiển đơn
giản và dễ thực hiện nhất. Ý tưởng của phương pháp là thay đổi tần số để
thay đổi tốc độ đồng bộ, từ đó thay đổi tốc độ động cơ. Tuy nhiên, nếu điện
áp cấp cho động cơ được giữ không đổi và giảm tần số sẽ kéo theo việc gia
tăng từ thông trong khe hở không khí, khi đó dễ dẫn đến bão hòa mạch từ,
dòng từ hóa tăng, méo dạng sóng dòng và áp cung cấp cho động cơ dẫn đến
tổn hao đồng trên stator sẽ tăng. Để tránh tình trạng này, người ta thường


12
giảm điện áp đi đôi với giảm tần số sao cho từ thông khe hở không khí được
giữ nguyên không đổi. Trong các ứng dụng công nghiệp, phương pháp này
được phân làm hai loại: 1) điều khiển U / f sao cho từ thông là hàm của
mômen tải; và 2) điều khiển U / f sao cho từ thông luôn luôn không đổi ở toàn
dải điều chỉnh. Mặc dù có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện nhưng phương
pháp này có nhược điểm là ổn định tốc độ ở vùng tốc độ thấp gặp khó khăn,
do vậy thường được dùng trong các ứng dụng không yêu cầu điều chỉnh sâu
tốc độ.
Còn phương pháp điều khiển vector tựa từ thông rotor (FOC) ra đời dựa
trên việc áp dụng các phép biến đổi tuyến tính không gian vector. Tinh thần
của phương pháp là dùng các công cụ biến đổi vector để ước lượng đại lượng
từ thông rotor r và điều chỉnh nó. Ưu điểm của phương pháp này là có thể
ổn định tốc độ ở vùng cận không, cho họ đặc tính cơ của động cơ không đồng
bộ giống với đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập ở vùng
từ thông không đổi. Phương pháp này sẽ được trình bày rõ hơn ở mục 1.2
trong luận văn này.
Phương pháp thứ ba là phương pháp điều khiển trực tiếp mômen (DTC)

xuất hiện và phổ biến vào thập kỉ 90 của thế kỉ 20. Phương pháp này dựa vào
việc điều khiển vị trí vector từ thông stator s để điều khiển mômen động cơ.
Để thực hiện phương pháp này, ta cần dựa trên phép biến đổi vector để xác
định độ lớn và vị trí vector s , thay đổi vector điện áp stator us để thay đổi vị
trí vector s . Ưu điểm của phương pháp này là không cần xác định vị trí của
rotor và cho đáp ứng mômen nhanh. Nhược điểm là với mômen đập mạch
sinh ra, dẫn đến động cơ làm việc ở tốc độ thấp khó ổn định.
Với những ưu nhược điểm của các phương pháp đã nêu ra ở trên nên
trong luận văn này, tác giả sử dụng phương pháp FOC để xây dựng cấu trúc
điều khiển cho bài toán điều khiển nâng cao hiệu suất PMSM.


13
1.2 Phương pháp điều khiển vector PMSM
Tư tưởng của phương pháp điều khiển vector xuất phát từ nguyên lý
điều khiển của động cơ điện một chiều (Direct Current - DC). Động cơ điện
DC có đặc tính điều khiển đơn giản, từ thông được sinh ra bởi dòng điện kích
từ và mômen được sinh ra nhờ dòng điện phần ứng của động cơ. Hai dòng
điện này là độc lập và có thể điều khiển dễ dàng, do đó ta có thể điều khiển
độc lập từ thông và mômen của động cơ. Với ưu điểm này, động cơ điện DC
đã được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển truyền động ở những
năm đầu ứng dụng điều khiển số.
Đối với động cơ xoay chiều (Alternating Current - AC) ba pha, việc mô
tả toán học để có đặc điểm điều khiển độc lập như động cơ điện DC là rất khó
khăn. Do đó, phương pháp điều khiển vector tựa theo từ thông rotor đã được
xem xét và đề xuất bởi K. Hasse và F. Blaschke. Phương pháp này cho phép
biểu diễn dòng điện stator thành hai dòng điện độc lập, có khả năng tạo từ
thông và mômen giống với mô hình động cơ điện một chiều. Điều này được
thực hiện bằng cách chuyển các thành phần dòng điện và điện áp trong hệ tọa
độ cố định sang hệ tọa độ quay đồng bộ với từ thông rotor, dựa trên các công

thức chuyển đổi tuyến tính trong không gian vector do Clarke và Park đề
xuất. Khi ta thành công trong việc điều khiển vector dòng điện stator đảm bảo
nhanh, chính xác và không tương tác (điều khiển tách kênh, đảm bảo cách ly
giữa hai quá trình: từ hóa động cơ và tạo mômen quay), thì ta có thể thiết kế
các bộ điều khiển vòng ngoài giống như đối với động cơ điện DC.
1.2.1 Công thức chuyển đổi Clarke
Công thức chuyển đổi Clarke cho phép biểu diễn vector dòng điện
stator is gồm ba thành phần xoay chiều ia,ib,ic trong hệ tọa độ stato r cố định ab-c thành một vector gồm hai thành phần xoay chiều iα, iβ trong hệ tọa độ
Descartes, hay còn gọi là hệ tọa độ trực giao đứng yên α-β , trong đó trục α


14
trùng với trục dây quấn pha a của động cơ. Ta thấy rằng, hai dòng điện iα, iβ
là hai dòng điện xoay chiều hình sin.

Hình 1.4: Vector dòng điện stator trên hai hệ tọa độ cố định stator và α-β.
Biểu diễn hình học của công thức chuyển đổi được minh họa trên Hình 1.4.
Công thức chuyển đổi Clarke được mô tả theo phương trình dưới đây:

(1.2)
Trong đó: ia , ib , ic là các dòng điện trên hệ tọa độ stator; và iα, iβ là các
dòng điện trên hệ tọa độ α-β.
Bằng cách tương tự như đối với vector dòng điện stator, các vector điện
áp stator, từ thông stator… đều có thể được biểu diễn bởi các phần tử thuộc
hệ tọa độ trực giao đứng yên α-β.
Dựa vào Hình 1.4, ta cũng có công thức chuyển đổi Clarke ngược từ hệ
tọa độ α-β sang hệ tọa độ stator cố định a-b-c:


15

(1.3)
1.2.2 Công thức chuyển đổi Park
Công thức chuyển đổi Clarke đã biểu diễn vector dòng điện stator is từ
ba thành phần xoay chiều ia,ib,ic trong hệ tọa độ stator cố định a-b-c về chỉ
còn hai thành thành phần iα,iβ trong hệ tọa độ trực giao đứng yên α β. Tuy
nhiên, vector dòng điện trong hệ tọa độ α-β là vector vẫn quay với tần số
góc của từ trường quay stator α, vì vậy, dòng điện iα,iβ là các dòng xoay
chiều. Để đơn giản trong điều khiển, các dòng điện xoay chiều này được
biểu diễn thành hai dòng điện một chiều id,iq.
Việc biểu diễn này được xây dựng thành công thức chuyển đổi Park,
được đưa ra trong bài báo năm 1929 của tác giả Robert H. Park. Bài báo
được xếp hạng thứ hai trong các bài .Biểu diễn hình học của công thức
Park được minh họa trên Hình 1.5. Trong đó: Ωs là tốc độ góc vector của
vector dòng điện stator is; θs là góc pha giữa trục chuẩn α và trục d

Hình 1.5: Vector dòng điện stator trên hệ tọa độ cố định α-βvà hệ tọa độ quay d-q.

Công thức chuyển đổi Park [1]:

(1.4)


16
Công thức (1.4) cho phép đưa vector dòng điện quay stator trong tọa độ
trực giao đứng yên α-β thành vector dòng điện đứng yên, bằng cách cho hệ
tọa độ trực giao đứng yên α-β quay quanh gốc với tần số góc bằng tần số góc
của vector dòng điện quay stator. Ta gọi hệ tọa độ quay này là hệ tọa độ trực
giao quay d-q.
Tương tự ta cũng có công thức chuyển đổi Park ngược từ hệ tọa độ d-q về

hệ tọa độ α-β:
(1.5)

Như vậy thông qua hai phép biến đổi Clarke và Park, ta có thể đưa
vector dòng điện gồm ba thành phần trong hệ tọa độ cố định ia,ib,ic thành
vector dòng điện trong hệ tọa độ quay d-q chỉ gồm hai thành phần một chiều
id , iq. Tuy nhiên, để giống với nguyên lý điều khiển của động cơ điện một
chiều, ta phải chọn hệ tọa độ d-q sao cho dòng điện id là thành phần sinh từ
thông và dòng điện iq là thành phần sinh mômen. Để làm được điều đó, ta
gán trục d của hệ tọa độ d-q trùng với hướng từ thông của rotor, khi đó trục q
sẽ hướng theo chiều không sinh từ thông và hệ trục tọa độ d-q sẽ quay với tốc
độ góc đồng bộ với tốc độ góc của từ thông rotor. Phương pháp điều khiển
như vậy gọi là điều khiển vector tựa theo từ thông rotor (FOC).
Đối với PMSM, tốc độ góc của từ thông rotor cũng chính là tốc độ góc
của trục rotor ω=ω và góc pha giữa trục chuẩn α(trục của hệ tọa độ α-β) với
trục của từ thông rotor ψ trục d của hệ tọa độ d-q) chính bằng góc cơ
θs=θr. Như vậy, đối với PMSM, ta có thể sử dụng trực tiếp góc cơ công thức
(1.4) và (1.5).
1.3 Phân tích hoạt động của PMSM
1.3.1 Mô hình toán học của PMSM
Trong hệ tọa độ d-q quay đồng bộ với vận tốc điện, quan hệ điện áp và


17
dòng điện được biểu diễn như sau:
=

.

(1.6)

Mômen điện từ của động cơ được tính theo công thức sau:
Te= Pn [
Trong đó

miq+(Ld-Lq)idiq]

(1.7)

Ud , Uq : điện áp đầu cực theo hai trục d,q;
: điện trở stator;

Rs

Ld, Lq : điện cảm trục dọc và trục ngang
: tốc độ điện;

e

id, iq

: dòng điện stator theo hai trujcd, q;

Pn

: số đôi cực;
: từ thông nam châm vĩnh cửu.

m

Giả sử J là mômen quán tính của rotor, Tc là mômen cản, và bỏ qua ma
sát thì ta có phương trình cơ học sau:
Te –Tc = J

(1.8)

trong đó O)r là tốc độ quay của rotor, được tính theo công thức sau:
r

=

(1.9)

Giới hạn từ thông rotor của PMSM có thể được phản ánh qua điện cảm
dọc trục Ld và dòng điện kích thích tương đương của nam châm vĩnh cửu
(nguồn dòng ảo) i f . Khi đó, có thể xem:
m

= Ldif.

(1.10)

1.3.2 Giới hạn dòng điện và điện áp
Gọi Ismax là biên độ dòng điện lớn nhất của PMSM. Lúc đó, giới hạn
dòng điện của động cơ được biểu diễn như một đường tròn (Hình 1.6) có
phương trình như sau:
+

(1.11)

18

Hình 1.6: Đường tròn giới hạn dòng điện và ellipse giới hạn điện áp với
đường cong mômen bằng hằng số của IPMSM.
Ở vùng tốc độ cao của PMSM, điện áp rơi Rsid và Rsiq trên điện trở cuộn
dây stator là rất nhỏ so với các thành phần khác trong (1.6), nên chúng
thường được bỏ qua khi chọn giới hạn điện áp. Giả sử động cơ đang làm việc
ở trạng thái ổn định và bỏ qua điện áp thuần trở rơi trên điện trở stator, mô
hình toán (1.6) trở thành:
(1.12)

Gọi Usmax là điện áp đỉnh lớn nhất của bộ nghịch lưu. Khi đó, giới hạn
điện áp của PMSM sẽ là:
(1.13)
Biểu diễn (1.12) theo nguồn dòng ảo if đã đưa ra ở (1.10), sau đó thay
vào (1.13), ta được ràng buộc điện áp:


19
Trong đó Usmax liên quan đến điện áp dc-link Udc và được tính bằng
công thức Usmax =Udc /

. Giới hạn điện áp (1.14) là một ellipse trong mặt

phẳng (id, iq) và phụ thuộc vào tốc độ ũ)e. Như trên Hình 1.6 là đang biểu diễn
ellipse giới hạn điện áp của IPMSM (Lq >Ld). Ellipse này co lại đến điểm (m

/ Ld ,0) khi tốc độ

e

tăng. Ràng buộc điện áp (1.14) có thể được viết gọn

lại dưới dạng:
e

trong đó :

Usmax

(1.15)

là từ thông khe hở không khí.

1.3.3 Các đặc tính của PMSM
Các đặc tính của PMSM theo tốc độ được biểu diễn trên Hình 1.7.

Hình 1.7: Các đặc tính của PMSM ở dải tốc độ quay định mức và vùng giảm từ thông.
Để khai thác công sức tối đa của động cơ, điện áp và dòng điện lớn
nhất sẽ được sử dụng. Do đó, khi làm việc ở công suất cực đại, các điểm làm
việc cần phải được xác định tại giao điểm của các đường giới hạn điện áp và
dòng điện. Chú ý rằng, đường tròn giới hạn dòng điện không phụ thuộc vào
tốc độ, trong khi ellipse giới hạn điện áp thì có lại khi tốc độ tăng. Bởi vậy,
các điểm làm việc di chuyển dọc theo vòng tròn bên trái (điểm A - điểm C